2001—2018年郴州市苏仙区景观格局变化及驱动力分析

2021-10-13陈王赋颜玉娟陈月华

南昌大学学报（理科版） 2021年3期

陈王赋，颜玉娟，陈月华，赵虎，彭玺

(1.中南林业科技大学风景园林学院，湖南长沙 410004；2.湖北省林业科学研究院，湖北武汉 430075)

景观被认为是支撑人类生活的根本单位，是由不同层次的生态系统组成的整体[1]。景观格局指不同景观要素在空间上的分布和排列，其动态变化分析可以反映出景观在不同时期随时间推移的变化规律[2]。城市化进程成为世界范围内普遍存在的现象，甚至成为许多城市发展中面临的重大问题。而正确描述景观格局不但可以全面了解城市化进程的原因和影响，还能反映人类潜在的活动对城市环境生态的影响[3]。因此，研究景观格局可以为后续的城市发展和建设提供有效的可行性指导。

苏仙区是湖南省郴州市的市辖区及市委市政府驻地，别称“福城”。以“天下第十八福地(国家4A级景区)苏仙岭风景区”冠名，是郴州市的政治、经济、文化中心。此前大部分对苏仙区的研究多集中在农村建设、矿山开发、重金属污染、草地、林地、花卉产业资源、旅游发展等[4-9]方面，涉及景观格局动态变化及其驱动力的研究鲜少。

本研究以郴州市苏仙区2001年—2018年景观格局动态演变为研究对象，分析苏仙区在建设发展过程中各种景观类型的变化特征、变化规律及变化原因，为苏仙区土地资源的合理利用和生态环境的可持续发展提供重要理论依据。

1 研究区概况

苏仙区(1125355E-1131620E，253021N-260329N)地处湖南省南部，郴州市中部，北与永兴县接壤，东与资兴市相连，南与宜章县交界，西与北湖区、桂阳县为邻，总面积为1 345.9 km2(图1)。包括飞天山、许家洞、良田、坳上、栖凤渡、五里牌、五盖山、白露塘8个镇，及苏仙岭、南塔、白鹿洞、王仙岭、卜里坪、观山洞6个街道。苏仙区东南部由西山、五盖山两大山体组成，造成东南高西北低，整体朝北倾斜的局面。其气候属中亚热带湿润季风气候，年平均降水量1 487.2 mm，降水集中在每年4月至6月。区域内旅游资源丰富，有国家4A级景区苏仙岭、飞天岭、王仙岭和3A景区五盖山滑雪场，以及国家级休闲绿道—西河风格带和国家级城市中央休闲区—裕后街。苏仙区林地、矿产丰富，同时各产业发展不均衡，具有明显的城市郊区及城乡结合部特征。

图1 研究区位置与范围图

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

本研究采用了2001年9月16日(Landsat 5)、2011年7月26日(Landsat 5)和2018年4月8日(Landsat 8)的研究区3期landsat遥感影像，影像分辨率均为30 m×30 m。在ENVI5.3软件的支持下，对3期遥感影像进行了辐射校正和大气校正，根据所需研究区域范围进行裁剪。根据已有研究[10-15]，依照国家标准《土地利用现状分类(GB/T 21010—2007)》及中科院土地利用覆盖分类体系，结合苏仙区土地资源的利用情况和特征以及遥感图像的特点，将苏仙区划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6种景观类型。利用kappa系数对分类结果进行准确性验证，3期分类图的精度分别为0.954 1、0.952 2、0.951 5，符合准确性验证标准(≥0.85)[16]。最终生成苏仙区2001—2018年3期景观类型分布图(图2)。

图2 2001—2018年三个不同时期景观类型解译结果

2.2 景观格局分析方法

根据栅格化后的苏仙区3期景观类型分布图，利用Fragstats4.2软件分别计算各种不同类型的景观指数，依此探讨苏仙区景观格局变化情况。根据参考文献[17-21]，本研究分别选取景观类型水平和景观水平2种类别。所选取的景观类型水平指数有斑块类型面积(CA)、斑块所占景观面积比例(PLAND)、斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、周长面积分维数(PAFRAC)、最大斑块指数(LPI)，所选取的景观水平指数有形状指数(LSI)、蔓延度指数(CONTAG)、聚集度指数(AI)、分离度指数(DIVISION)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)。各景观指数计算公式及生态学意义在Fragstats4.2软件中均有具体说明。

景观动态度分为单一景观动态度(K)和景观整体动态度(Lc)，单一景观动态度用于表征某种景观类型在一定时间范围内的变化情况，景观整体动态度用来描述研究区整体景观变化的剧烈程度[22]。计算公式如下：

(1)

(2)

式中，Ua、Ub为区域内某景观类型初期和末期的面积，Lu为研究区各景观类型总面积；ΔLui-j为研究时段内第i类景观转化为非i类景观的总面积；T为研究时长，i-j表示i类转化为j类的景观。

利用转移矩阵定量分析各类景观斑块类型的面积变化及斑块类型间的转化情况，具体公式如下[23]。本文通过ArcGIS10.2中的空间分析工具，将苏仙区3期的景观类型分布图进行叠加分析，再导出各个景观斑块类型的变化像元数据，最后几何计算得到苏仙区3期的景观类型转移矩阵。

(3)

式(3)中：P为面积；Pij表示景观类型i转换为土地类型j的面积。

为探讨自然及社会经济等驱动力因子对苏仙区景观格局变迁概率的影响，本研究利用Logistic回归模型以分析各影响因素与土地景观格局变迁几率的关系[18]。其计算公式如下为：

(4)

(5)

其中：Pi为其他土地转化为土地i的机率；X1i，X2i，…，Xni是影响土地转化的因素；α是常数；β1，β，…，β是自变量的回归系数。如果β的值越大，则对应的影响因子自变量和土地利用类型i之间联性越高。exp(β)为事件发生率，是自变量每增加一个单位，事件发生率随之变化情况。exp(β)>1，即为发生率上升；exp(β)=1，表示发生率不变；exp(β)<1，则发生率降低[24]。

3 结果与分析

3.1 景观类型结构变化分析

利用Fragstats4.2软件计算所得到的景观类别层级的CA和PLAND 2个景观指数，可以得到苏仙区2001年、2011年和2018年各景观类型面积与比例变化情况(表1、表2)。从数据统计可知，林地一直是苏仙区主要的景观类型，占比均超过50%，属于研究区的景观基底。2001—2011年里，林地、草地、建设用地、水域面积均增加，其中林地面积增加量最多，达到55.11 km2。草地面积增加1.99 km2，建设用地面积增加4.56 km2，水域面积增加量最少，为1.40 km2。未利用地减少最多，为56.22 km2，耕地面积减少6.86 km2。

表1 2001—2011年苏仙区景观类型结构变化表

表2 2011—2018年苏仙区景观类型结构变化表

2011—2018年间，林地、耕地、水域面积均有减少，耕地面积减少最多，为89.34 km2，林地面积减少5.65 km2，水域面积减少0.96 km2。建设用地增长面积最多，增加78.34 km2，其次是草地面积增加13.14 km2，未利用地增加了4.32 km2。

3.2 景观单一动态度变化分析

对比2001—2011年和2011—2018年两个研究时间段的各类景观动态变化度(如表3所示)，建设用地动态度由0.9%变化到20.26%，处于加速增加的状态，同样处于急速增加趋势的还有草地，草地动态变化度由0.76%变化至6.69%；而耕地动态变化度由-0.14%变化至-2.76%，处于急剧减少的趋势。林地变化度由0.79%的缓慢增长变化至-0.11%的缓慢减少，水域动态度由1.15%的缓慢增长变化至-1.01%的缓慢减少，未利用地动态度由-6.86%的急速减少变化至2.41%的缓慢增长。以2001—2018年整个研究时段来看，建设用地的动态度变化高，高达9.62%，说明在17a间建设用地的变化速度最快。其次为草地、未利用地和耕地，林地、水域的变化速度较小，面积变化较不明显。

表3 2001—2018年苏仙区景观动态度变化表

3.3 景观格局指数变化分析

3.3.1 景观类型水平格局指数变化分析

如表4所示，2001—2018年间，林地斑块数量(NP)及斑块密度(PD)不断减少，草地的斑块数量和斑块密度不断增加。耕地与建设用地的斑块数量及斑块密度变化完全相反，前者在2001—2011年大幅度增加，在2011—2018年减少。后者在2001—2011年减少，在2011—2018年大幅度增加，最终2018年数值均超过2001年。水域的斑块数量及斑块密度变化量少，处于较为平稳的状态。未利用地的斑块数量及斑块密度2018年较2001年相比大幅度减少，但相比2011年有所回升。草地、耕地的最大斑块指数(LPI)均呈减少趋势，而建设用地的最大斑块指数(LPI)呈现出极具增加的趋势。林地、耕地和建设用地的周长面积分维数(PAFRAC)趋于规则和稳定，草地、水域、未利用地均呈下降趋势，受人为干扰程度较大。

表4 2001/2011/2018年苏仙区景观类型水平格局指数

3.3.2 景观水平格局指数变化分析

通过对苏仙区景观指数的计算，可得出2001年到2018年郴州苏仙区景观水平格局指数图(图3)。2001年到2018年间，香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)均呈现先下降后上升的趋势，分别由1.12和0.63降至1.03和0.57，后增至1.15和0.64，最终2018年值高于2001年值。分离度指数(DIVISION)先减少后增加，由0.87减少至0.86，最终增长为0.88。蔓延度指数(CONTAG)和聚集度指数(AI)呈先上升后急速下降的趋势，由46.85和73.87增长至50.43和74.19，最终减少到43.35和68.66。

图3 2001—2018年不同时期景观水平指数变化

3.4 景观空间转移矩阵分析

苏仙区17a间景观斑块之间的转移矩阵(表5和表6)可以进一步明确景观斑块类型之间的转化关系及其发展动态。2001年—2011年间，未利用地面积大量减少，净减少面积为56.86 km2，主要转入耕地和林地，分别为37.03和31.35 km2，占转出面积的91.17%。耕地面积也有转出，净减少面积为5.92 km2，主要转入林地面积。林地的面积转入量最多，净增加面积为55.4 km2，主要由耕地转入，占总转入的68.66%。此外，草地、建设用地、水域均有少量的转入面积，净增加面积分别为2.08、4.06和1.24 km2。

表5 2001—2011年景观类型面积转移矩阵

表6 2011—2018年景观类型面积转移矩阵

2011年—2018年间，建设用地面积大量增加，净增加面积为80.84 km2，主要由耕地转入，转入量为77.97 km2，占总转入面积的74.66%。草地面积也有增加，净增加面积为13.47 km2，主要由林地转入。耕地的面积转出量最多，净减少面积为89.38 km2，主要转向林地和建设用地，各占48.38%和41.72%。林地面积也有转出，净减少面积为6.86 km2，主要转入耕地。此外，水域、未利用地均有少量的面积转出，净减少面积分别为1.19、3.11 km2。

3.5 景观综合动态度变化分析

综合动态度从整体景观的角度反映研究区景观类型变化的剧烈程度，其值越大变化越剧烈。结合研究区景观类型动态变化表及景观转移矩阵(表5和表6)，综合计算得出研究区2001—2011年的综合动态度(Lc)为1.50、2011—2018年的综合动态度(Lc)为1.43。刘纪远等将研究区景观变化进行等级划分：极缓慢变化型(0～3%]、慢速变化型(3%～12%]、快速变化型(12%～20%]、急剧变化型(20%～24%][25]。依此等级划分，研究区两阶段综合景观动态度变化类型均为极缓慢变化型，从1.50%下降至1.43%，说明各景观类型稳定性增强。

3.6 景观格局变化驱动力因子分析

利用3期景观类型分布栅格数据结合自然及社会经济统计数据进行Logistic回归分析，旨在探讨各景观类型格局变化与不同驱动力因子之间的定量关系。在综合参考类似研究以及考虑数据可获得性的基础上[18，26]，选取以下10个驱动力因子。主要有：①自然因素：年平均温度、年平均湿度、海拔高度、坡度、坡向；②可达性因素：到水系距离、到道路距离；③人口因素：人口密度、人类活动强度(夜间灯光数据)；④经济因素：人均地区生产总值。将以上4类驱动力因子通过标准化公式进行栅格运算，之后导入SPSS软件进行Logistic模型回归分析。具体结果如下表所示(表7)。

表7 2018年苏仙区景观类型Logistic回归分析结果

根据ROC曲线分析方法对模型进行拟合优度检验，本研究各景观类型的ROC曲线如图4所示，图上表明苏仙区各景观类型ROC曲线检验结果分别为：林地0.838、草地0.774、建设用地0.825、水域0.803、耕地0.892、未利用地0.744，均超过ROC检验标准(AUC≥0.7)。

图4 2018年各景观类型ROC曲线

通过上表可以看出，与林地转变概率相关的驱动力因子中，坡度、坡向、GDP和海拔高度的影响较大，夜间灯光(即人类活动强度)的影响最小，说明苏仙区的林地保护工作十分到位，受人类活动干扰的情况较轻；与草地转变概率相关的驱动力因子中，温度、坡度、海拔高度及湿度的影响较大，人类活动强度的影响最小，说明苏仙区草地景观受自然因素的影响最重；与建设用地转变概率相关的驱动力因子中，影响最大的是人类活动强度、人口、湿度及到道路距离，影响最小的是坡度，说明人类活动是建设发展的最大动力，同时道路网络的建设能够推动城市快速发展，而过多低效冗杂的道路的建成也有可能给建设用地带来负面影响；与耕地转变概率相关的驱动力因子中，影响较大的是人口、湿度、GDP和到道路距离、到水域距离，说明农产依旧是苏仙区发展的重要环节，其分布与人口、水系、道路紧密联系；与水域转变概率相关的驱动力因子中，影响较大的是到道路距离、到水系距离、坡向和人口，影响最小的是温度，苏仙区的水域多为池塘、水坑等农用附属水域，因此多遍布于道路、自然水系及农村居住点周围；与未利用地转变概率相关的驱动力因子中，影响较大的是温度、高程和到道路距离，这很可能与地势、采矿产业有较大的影响。

4 讨论与结论

4.1 讨论

2001—2011年间，郴州市苏仙区具有丰富的林业资源、矿产资源及旅游资源。为了响应政府“瞄准粤港澳台大市场，加快发展郴州高效农业”的号召，达成“建设湖南最开放城市、湘粤赣省际区域中心”的目标，前期苏仙区积极发展林业和农业。

苏仙区林地面积由699.16 km2增长至754.27 km2，并以0.79%的动态度持缓慢增长态势，林地斑块个数和斑块密度增加，最大斑块指数和平均斑块面积增大，大部分耕地面积转入林地。一方面，林业生产的经济效益促使人们不断外扩林地面积，另一方面“郴州市苏仙区大力培育珍贵树种”、“退耕还林”、“植树造林”等政策也使得苏仙区在以生态建设为主的林业发展道路上不断前进。在政策的调控下，林地受到良好的保护而整体破碎度减小，生态效益稳步增加。

苏仙区耕地面积由469.85 km2减少至463 km2，斑块个数和斑块密度大幅增加，周长面积分维数和景观形状指数增大，林地与耕地之间存在互相转化的情况。说明在发展调控过程中保持了耕地的总量动态平衡。根据《郴州市苏仙区土地利用总体规划(1997—2010)》可知，初期农耕地存在许多问题，如：土地利用不充分，综合效益不高；土地破坏和污染严重；低产土地资源比重大等。因此，在保证基本农田红线保护范围的基础上提高耕地质量才是发展的关键。

2011—2018年间，随着城市的高速发展，建设需求不断上升，发展第三产业成为了一项重要课题。因此，基于优秀丰富的旅游自然资源，苏仙区在保持林业、农业稳固发展的同时，发展以旅游业为依托的第三产业。“努力把郴州建成中国优秀旅游城市和粤港澳的‘后花园’”、“把打造东部山水魅力之城作为城市建设的重中之重”成为战略目标。

因此，建设用地飞速增长，由55.24增长至133.58 km2，动态度达到20.26%。作为2011—2018年间的重要景观类型，其变化较大程度影响了景观水平的景观格局指数变化。香农多样性指数和香农均匀度指数的先下降后上升趋势说明苏仙区景观结构维持了较好的多样性，没有因为人类活动而导致构成景观的要素种类大量消失。分离度指数的先减少后增加表明苏仙区的景观斑块类型于2018年最为复杂，于2001—2011年经历了单一化的过程，随着2011年后人们开始注重城市景观的优化和配置，景观斑块类型因此而变得多样化。蔓延度指数呈先上升后急速下降的趋势，表明在前阶段城市建设用地由中心急速扩张，道路网把斑块连接起来，在空间上有积聚，而后阶段建设用地由各乡镇发散扩张，削弱了中心建设用地斑块的团聚程度。

与此同时，林地因2008年自然灾害雪灾冰冻灾害；2015年国有林场改革(增加林场基础设施建设)；2016年森林公园、森林生态旅游的大力发展；导致林地在此期间内面积略有减少，斑块个数和斑块密度有所增加，周长面积分维数和景观形状指数增加，破碎度略有增大，受人为干扰比以往严重。

未利用地面积在经历前期大幅减少的趋势后有小幅度的回升，根据苏仙区矿产分布及《郴州市苏仙区矿产资源总体规划(2016—2020年)》，初步推测未利用地面积后期有所增加是因为矿业开发过程中产生的环境问题。苏仙区煤矿主要分布在许家洞、栖凤渡、五里牌、马头岭、荷叶坪、岗脚、廖王坪等乡镇，塘溪乡五马垅地带是一处新发现的矿山。而根据2011年、2018年景观类型分类图未利用地区域的显示情况，可以看出五里牌镇东部及塘溪乡与大奎上乡交界处出现部分裸露地。

在《郴州市苏仙区土地利用总体规划(2006—2020年)(2014年修订版)》中，生态建设和环境保护也被提上议程。草地面积不断增加，动态度由0.76%增长至6.69%。其斑块个数和斑块密度出现增长情况，说明除去早期已存在的自然草地，城市中出现了大量新的绿化草地。总体来看，城市绿化及园林建设也使得苏仙区景观类型越来越丰富，斑块逐渐呈现均匀分布的空间特征，土地利用向着均匀化方向发展。